DE2744067C3 - Process for the continuous hydrolysis of vegetable matter - Google Patents

Description

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Gewinnung von Zuckern aus pflanzlichen Rohstoffen und Rückständen durch Hydrolyse mit verdünnten Säuren. Es geht dabei sowohl um die aus den Pentosanen der Pflanzenstoffe entstehende Xylose als auch um die aus der Cellulose entstehende Glukose.The field of application of the invention is the extraction of sugars from vegetable raw materials and residues from hydrolysis with dilute acids. It concerns both those from the Pentosans of the plant substances resulting from xylose as well as from the cellulose resulting from glucose.

Während die Xyloii in Abwesenheit verdünnter Säuren schon bei Temperaturen bis 130⁰C durch die Spaltung der Xylanketten und -leichzeitiger Anlagerung von Wassermolekülen gebildet wird, sind für die Spaltung der Celluloseketten zu Glukose Temperaturen um 180° C erforderlich.While the Xyloii is formed in the absence of dilute acids at temperatures up to 130 ⁰ C by cleavage of the xylan chains and -leichzeitiger addition of water molecules, the cellulose chains to glucose temperatures around 180 ° C are required for cleavage.

Zur Zeit werden derartige Zucker nach den verschiedensten, diskontinuierlichen Verfahren mit veralteten Techniken und entsprechend geringen Ausbeuten aus Holzabfällen hergestellt. Die Zuckerausbeute wird dabei neben der Temperatur und der Säurekonzentration auch sehr wesentlich von der jeweiligen Verfahrenstechnik beeinflußt.Such sugars are currently being used in a wide variety of discontinuous processes outdated techniques and correspondingly low yields made from wood waste. The sugar yield In addition to the temperature and the acid concentration, it also depends very much on the respective process engineering influenced.

So ist es zum Beispiel sehr wichtig, daß die Zucker nach ihrer Entstehung möglichst schnell aus der Reaktionszone entfernt werden, da sie sonst entweder dehydratisiert werden oder repolymerisieren.For example, it is very important that the sugars are removed as quickly as possible after they have formed Reaction zone must be removed, otherwise they will either be dehydrated or repolymerize.

Hydrolyse und Extraktion sowie der Abtransport des gebildeten Zuckers sollten also möglichst gleichzeitig stattfinden. Bei allen bisher bekannten kontinuierlichen Hydrolyseverfahren wird dieses nicht berücksichtigt.Hydrolysis and extraction as well as the removal of the sugar formed should therefore be carried out at the same time as possible occur. This is not taken into account in any of the continuous hydrolysis processes known to date.

Es ist ein klassisches Perkolationsverfahren bekannt, bei dem der Abtransport der gebildeten Zucker gewährleistet ist. Dieses Verfahren ist jedoch diskontinuierlich. Die zu behandelnden Stoffe werden von der Säure durchströmt und befinden sich dabei in Ruhelage. Dadurch sind die Reaktionsbedingungen nicht homogen. In den Randzonen der Reaktionsbehälter ist die Hydrolyse statisch, es kömmt zur Karamelbildung und damit zur Verkrustung der Behälter. Durch diese inhomogenen Reaktionsbedingungen wird die mittlere erzielbare Zuckerausbeute stark reduziert. Außerdem bedingt dieses diskontinuierliche Verfahren erheblich höhere Investitionskosten als ein kontinuierliches, da für das Füllen und Leeren der Behälter sowie für die Aufheizung und Abkühlung des Inhalts jeweils sehr vielA classic percolation process is known, in which the removal of the sugar formed is guaranteed. However, this process is discontinuous. The substances to be treated are flowed through by the acid and are in a resting position. As a result, the reaction conditions are not homogeneous. In the edge zones of the reaction vessel is the Static hydrolysis, it comes to caramel formation and thus to encrustation of the container. Through this inhomogeneous reaction conditions, the mean achievable sugar yield is greatly reduced. aside from that This discontinuous process requires considerably higher investment costs than a continuous one, as for the filling and emptying of the containers as well as for heating and cooling the contents each a lot

Zeit benötigt wird. Beim kontinuierlichen Verfahren fallen diese Zeiten weg, so daß das erforderliche Behältervolumen wesentlich kleiner istTime is needed. In the continuous process these times are omitted, so that the required container volume is significantly smaller

Die meisten bekannten kontinuierlichen Verfahren haben außerdem einen relativ hohen Säureverbrauch gemeinsam und ihre Realisierung scheiterte an technischen Schwierigkeiten.Most of the known continuous processes also have a relatively high consumption of acid together and their realization failed due to technical difficulties.

Die DE-OS 25 52 449 beschreibt ein kontinuierliches Verfahren, bei dem die Säure mit den zu behandelndenDE-OS 25 52 449 describes a continuous process in which the acid with the to be treated

ίο Stoffen im Gleichstrom von oben nach unten geführt wird, und zwar in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen. Dabei soll die Säure den Stoffen voraneilen und am Ende einer Reaktionszone, mit gelösten Zuckern angereichert, durch einen nächsten Säureschub radial verdrängt werden. Die Nachteile sind folgende:ίο Substances guided in direct current from top to bottom in several successive stages. The acid should precede the substances and at the end of a reaction zone, enriched with dissolved sugars, by a next surge of acid radially be displaced. The disadvantages are as follows:

1. Bei der Gleichstromreaktion kann eine laminare Strömung der vorauseilenden Säure durch die zu behandelnden Stoffe nicht gewährleistet werden. Das bedeutet, daß die Reaktionsbedingungen über den Reaktorquerschnitt nicht homogen sind. Es kommt zur Kanalbildung. Die mittlere Zuckerausbeute wird erheblich reduziert1. In the case of the direct current reaction, a laminar flow of the leading acid through the to treated substances cannot be guaranteed. This means that the reaction conditions are over the reactor cross-section are not homogeneous. Channel formation occurs. The mean sugar yield is significantly reduced

2. Eine vollständige Extraktion der gebildeten Zucker wäre selbst bei laminarer Strömung nicht möglich,2. A complete extraction of the formed sugars would not be possible even with laminar flow,

da die Zuckerkonzentration in der Säure und somit auch in den zu behandelnden Stoffen während der Reaktion sti.idig steigt Die Säure wird zwar am Ende der jeweiligen Reaktionsstufe seitlich verdrängt der in den Stoffen enthaltene Zucker geht jedoch mit diesen in die nächste Reaktionsstufe, «polymerisiert dort und blockiert einen weiteren Abbau der Cellulose. Auch dies senkt die mögliche Zuckerausbeute.because the sugar concentration in the acid and thus also in the substances to be treated during the Reaction rises steadily The acid is displaced to the side at the end of the respective reaction stage However, the sugar contained in the substances goes into the next reaction stage with them, «Polymerizes there and blocks further degradation of the cellulose. This also lowers the potential Sugar yield.

3. Zur Erlangung gleicher Extraktionsgrade wird bei der Gleichstromextraktion die zwei- bis dreifache Flüssigkeits- und damit auch Säuremenge benötigt wie bei der Gegenstromextraktion. Neben den Kosten für die Säure und deren Neutralisation werden dadurch aber auch höhere Energiekosten zum Aufheizen der Säure und zum Eindampfen des Hydrolysats bedingt. Die Zuckerkonzentration des Hydrolysats ist naturgemäß wesentlich geringer als bei der Gegenstromextraktion.3. To achieve the same degree of extraction, two to three times as much is used for direct current extraction The amount of liquid and therefore also the amount of acid is required as in countercurrent extraction. In addition to the The costs for the acid and its neutralization also result in higher energy costs to heat up the acid and to evaporate the hydrolyzate. The sugar concentration of the The hydrolyzate is naturally much less than in countercurrent extraction.

« Die DE-OS 24 39 077 beschreibt ein Verfahren zur Vorbehandlung von Holzhackschnitzeln vor dem Zellstoffaufschluß. Dabei werden die Hackschnitzel einer Heißwasserextraktion im Gegenstrom unterzcgen. Da einerseits keine Säure zugesetzt wird und«DE-OS 24 39 077 describes a process for the pretreatment of wood chips before Pulp digestion. The wood chips are subjected to hot water extraction in countercurrent. Since on the one hand no acid is added and

so andererseits eventuelle Eigensäuren des Holzes durch die Gegenstromextraktion entfernt werden, finde·. weder eine erwähnenswerte Spaltung der Hemicellulose noch der Cellulose statt. Es werden lediglich leichtlösliche Holzbestandteile entfernt, die den nachfolgenden Zellstoffaufschluß belasten.so on the other hand any intrinsic acids of the wood are removed by the countercurrent extraction, find ·. neither a noteworthy split of hemicellulose nor of cellulose takes place. It will just be Easily soluble wood components removed, which pollute the subsequent pulp digestion.

Der vorliegenden Erfindung soll bei homogenen und dynamischen Hydrolyse- und Extraktionsbedingungen höchstmögliche Zuckerausbeuten mit geringen Betriebsmittelkosten (Säure und Energie) und geringstem technischen Risiko garantieren.The present invention is intended to operate under homogeneous and dynamic hydrolysis and extraction conditions highest possible sugar yields with low operating costs (acid and energy) and lowest guarantee technical risk.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des beanspruchten Verfahrens gelöst.According to the invention, this object is achieved by the measures of the claimed method.

Die Erfindung weist gegenüber anderen Verfahren folgende Vorteile auf:The invention has the following advantages over other methods:

1. Das Verfahren gewährleistet höchstmögliche Zukkerausbeuten bei. geringstem Säure- und Energieverbrauch. 1. The process ensures the highest possible sugar yields. lowest acid and energy consumption.

2. Die technologische Einfachheit des Verfahrens erlaubt den Einsatz unkomplizierter und bewährter Verfahrenstechniken. Das technische Risiko ist dadurch gering.2. The technological simplicity of the process allows it to be used in a more uncomplicated and proven manner Process engineering. The technical risk is therefore low.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung näher erläutertThe method according to the invention is described below with reference to the exemplary embodiment in FIG Drawing explained in more detail

Der zu behandelnde Rohstoft wird in einen Vordämpfbehälter 1 geleitet, wo die ins Rohstoff enthaltene Luft durch Wasserdampf verdrängt und ersetzt wird. Dabei wird der Stoff durch den über die Ringleitung 2 eingespeisten Dampf auf etwa 100° C erwärmt Die Luft wird dabei nach oben verdrängtThe raw material to be treated is fed into a pre-steaming container 1, where the raw material is introduced contained air is displaced and replaced by water vapor. In doing so, the substance is passed through the Ring line 2, the steam fed in is heated to around 100 ° C. The air is displaced upwards

Der entlüftete Rohstoff gelangt über eine Druckschleuse 3 in den Reaktor 5, 7, 8, 9. Die Drehzahl der Druckschleuse wird von einer Niveausonde 4 gesteuertThe deaerated raw material passes through a pressure lock 3 into the reactor 5, 7, 8, 9. The speed of the The pressure lock is controlled by a level probe 4

In der Aufheizzone 5 wird der Stoff auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt. Der erforderliche Dampf wird durch die Leitung 6 zugeführt Bei Verwendung flüchtiger Säuren stellt sich in der Aufheizzone 5 ein Säure-Dampf-Gemisch ein, so daß die Hydrolyse hier bereits beginnt Der so aufgeheizte Stoff sinkt nun in die Hydrolyse- und Extraktionszone 7 ab, wo er von der aufsteigenden Säure durchströmt wird. Je nach Reaktionstemperatur werden hier die im Stoff enthaltenen Hemicellulose- bzw. Celluloseketten durch Anlagerung von Wassermolekülen zu Monozuckern hydrolytisch gespalten. Die Säure hat dabei nur eine katalytische Wirkung.In the heating zone 5, the substance is heated to the reaction temperature. The required Steam is supplied through line 6. If volatile acids are used, the Heating zone 5 an acid-steam mixture, so that the Hydrolysis already begins here The material heated in this way now sinks into the hydrolysis and extraction zone 7, where the rising acid flows through it. Depending on the reaction temperature, the in the substance contained hemicellulose or cellulose chains through the addition of water molecules to monosugars hydrolytically split. The acid only has a catalytic effect.

An die Reaktions-Extraktions-Zone 7 schließt sich nach unten die Waschzone 8 an, in der die in den extrahierten Stoffpartikeln verbliebene Säure durch gegenströmendes Heißwasser ausgewaschen wird. Der so extrahierte und ausgewaschene Stoffrückstand wandert nun weiter abwärts in die Verdünnungszone 9, wo er am Boden von einem Rührer 14 erfaßt den Reaktor verläßt und über eine Austragsleitung 11 in eine Abscheidevorrichtung 12 gelangt. Dort wird der Rückstand vom Transportwasser getrennt und verläßt das Systein über die Druckschleuse 13.At the bottom of the reaction-extraction zone 7 is the washing zone 8, in which the in the extracted substance particles is washed out by countercurrent hot water. Of the The residue extracted and washed out in this way now moves further down into the dilution zone 9, where it is detected at the bottom by a stirrer 14 and leaves the reactor via a discharge line 11 in a separation device 12 arrives. There the residue is separated from the transport water and leaves the system via the pressure lock 13.

Das Transportwasser fließt durch die Leitung 14 in den Auffangbehälter 15. Von dort wird es mit der Umwälzpumpe 16 durch die Leitung 17 zum Reaktoraustrag zurückgeführt, ein Teil davon wird durch die Leitung 18 und dann durch den Reaktorboden in die Verdünnungszone 9 geleitetThe transport water flows through line 14 into the collecting container 15. From there it is with the Circulating pump 16 returned through line 17 to the reactor discharge, part of which is through the Line 18 and then passed through the reactor bottom into the dilution zone 9

Das erforderliche Waschwasser wird über die Leitung 19 in das System eingeleitet Es wird zusammen mit dem Kreislaufwasser über den Ringraum 23 und die Pumpe 24 durch den Wärmetauscher 20 geleitet, wo es auf Waschtemperatur erhitzt wird. Von dort fließt das Wasser durch die Leitung 21, die Hohlwelle des Rührers 10 und das aufgesteckte Rohr 22 in den unteren Bereich der Waschzone 8, den es in horizontaler und vertikaler Richtung durchströmt. Die Querströmung gewährleistet dabei eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit in der Waschzone 8.The required wash water is introduced into the system via line 19. It is used together with the Circulating water passed through the annulus 23 and the pump 24 through the heat exchanger 20, where it is on Washing temperature is heated. From there the water flows through line 21, the hollow shaft of the stirrer 10 and the pushed-on tube 22 in the lower area of the washing zone 8, which is horizontal and vertical Direction flows through. The cross flow ensures an even flow rate in the washing zone 8.

Am oberen Ende der Waschzone wird das Waschwasser durch den Ringraum 25 aus dem Reaktor abgezogen. Eine Umwälzpumpe 26 fördert das mit der Kreislaufsäure vermischte Wasser durch die Leitung 27 in den Wärmetauscher 28, wo das Gemach auf Reaktionstemperatur erhitzt wird. Die erforderliche Make-up-Säure wird über die Leitungen 35 und 36 in das System eingespeist Die aufkonzentrierte Reaktionsflüssigkeit fließt durch das Zentralrohr 29 in den unteren Bereich der Reaktions-Extraktions-Zone 7 ein und durchströmt diesen in vertikaler und horizontaler Richtung. Auch hier bewirkt die erzwungene Querströmung eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit in der Reaktions-Extraktions-Zone 7.At the upper end of the washing zone, the washing water is drawn off from the reactor through the annular space 25. A circulation pump 26 conveys the water mixed with the circulatory acid through line 27 into the Heat exchanger 28, where the chamber is heated to reaction temperature. The required makeup acid enters the system via lines 35 and 36 fed The concentrated reaction liquid flows through the central tube 29 into the lower region of the reaction extraction zone 7 and flows through it this in the vertical and horizontal direction. Here, too, the forced cross flow causes a uniform flow rate in the reaction extraction zone 7.

Die aufwärtsströmende Reaktionsflüssigkeit reichert sich auf ihrem Weg durch die Stoffsäule mit gelöstem Zucker an und verläßt den Reaktor über den Ringraum 30. Durch die Leitung 31 gelangt das Hydrolysat über den Entspannungszyklon 32 in das Ausdampfgefäß 33. Hier dampft die flüchtige Säure aus und wird vom Gebläse 34 zusammen mit der Make-up-Säure in das System zurückgefördert.The upward flowing reaction liquid becomes enriched with dissolved on its way through the column of matter Sugar and leaves the reactor via the annular space 30. The hydrolyzate passes through the line 31 the expansion cyclone 32 in the evaporation vessel 33. Here the volatile acid evaporates and is from Fan 34 is fed back into the system along with the makeup acid.

Das entsäuerte Hydrolysat fließt aus dem Ausdampfgefäß 33 in den Vorratsbehälter 37. Von dort wird es mit einer Pumpe 38 zur Nachbehandlung gefördert.The deacidified hydrolyzate flows from the evaporation vessel 33 into the storage container 37. From there it is with it a pump 38 promoted for aftertreatment.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

1 Patentansprüche:1 claims: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Hydrolyse pflanzlicher Stoffe mit verdünnten Säuren bei höheren Temperaturen, wobei die zu behandelnden Stoffe nach ihrer Entlüftung in einen vertikalen Reaktor oben eingetragen, diesen nach unten durchwandernd von einer Säure hydrolysiert und gleichzeitig extrahiert werden und anschließend in einer Waschzone mit heißem Wasser im Gegenstrom gewaschen und an deren unteren Ende wieder aus dem Reaktor ausgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Waschwasser am oberen Ende der Waschzone radial abgezogen, mit Säure auf Konzentrat und an gleicher Stelle wieder zugegeben, den Stoffen entgegenströmt1. Process for the continuous hydrolysis of vegetable matter with dilute acids higher temperatures, with the substances to be treated after their ventilation in a vertical Entered the reactor at the top, hydrolyzed by an acid and wandering through it at the bottom are extracted at the same time and then in a washing zone with hot water in countercurrent washed and discharged again from the reactor at the lower end, thereby characterized in that the washing water is drawn off radially at the upper end of the washing zone, with Acid on concentrate and added again at the same point, the substances flow in the opposite direction 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung flüchtiger Säuren diese beim Entspannen des Hydrolysats ausgedampft und zur Aufkonzentrierung der Reaktionsflüssigkei: in das Reaktionssystem zurückgeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that that when using volatile acids, these evaporate when the hydrolyzate is let down and to concentrate the reaction liquid: returned to the reaction system will.